Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu vật liệu khung hữu cơ kim loại đồng II carboxylate và ứng dụng của nó

• Tác giả: Trần Thanh Minh
• Người hướng dẫn: GS. Đinh Quang Khiếu
• Trường học: Đại học Huế
• Chuyên ngành: Hóa học
• Đề tài: Nghiên cứu vật liệu khung hữu cơ kim loại đồng II carboxylate: Tổng hợp, biến tính và ứng dụng
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Huế

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 1.2. VẬT LIỆU KHUNG HỮU CƠ - KIM LOẠI
• 1.2.1. Giới thiệu vật liệu khung hữu cơ – kim loại
• 1.2.2. Vật liệu MOF-199
• 1.3. ỨNG DỤNG MOFs LÀM TIỀN CHẤT TỔNG HỢP NANO OXIDE KIM LOẠI
• 1.4. CƠ CHẾ XÚC TÁC QUANG HÓA CỦA CHẤT BÁN DẪN p – n CuO – ZnO
• 1.4.1. Vật liệu bán dẫn p – n
• 1.4.2. Cấu trúc và cơ chế xúc tác quang hóa của nano oxide p – n ZnO – CuO
• 1.4.3. Tình hình nghiên cứu tổng hợp vật liệu bán dẫn p – n CuO – ZnO
• 1.5. ỨNG DỤNG VẬT LIỆU MOFs LÀM ĐIỆN CỰC
• 1.6. ỨNG DỤNG MOFs XÚC TÁC PHẢN ỨNG ACETAL HÓA BENZALDEHYDE BẰNG METHANOL
• 1.7. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 1.7.1. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
• 1.7.2. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
• 1.7.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 1.7.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 1.7.4.1. Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu
• 1.7.4.2. Các phương pháp khảo sát hoạt tính xúc tác và hoạt tính điện hóa
• 1.7.4.3. Phương pháp thống kê
• 2. Quy trình tổng hợp và xác định tính chất vật liệu
• 2.1. Khảo sát hoạt tính xúc tác cho phản ứng acetal hóa benzaldehyde
• 2.2. Khảo sát hoạt tính xúc tác quang hóa phân hủy methylene blue
• 2.3. Nghiên cứu động học quá trình quang xúc tác phân hủy MB
• 2.4. Nghiên cứu đặc tính các hợp chất phân tích trên điện cực biến tính
• 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP MOF-199 VÀ ỨNG DỤNG LÀM CHẤT BIẾN TÍNH ĐIỆN CỰC
• 3.1.1. Nghiên cứu tổng hợp MOF-199 bằng phương pháp dung nhiệt và phương pháp vi sóng
• 3.1.2. Nghiên cứu xác định paracetamol và caffeine bằng phương pháp dòng-thế hòa tan sử dụng điện cực GCE biến tính bằng MOF-199
• 3.2. NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP NH2-MOF-199 VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG BIẾN TÍNH ĐIỆN CỰC
• 3.2.1. Nghiên cứu tổng hợp NH2-MOF-199
• 3.2.2. Khả năng sử dụng NH2-MOF-199 làm chất biến tính điện cực để xác định đồng thời Pb(II) và Cd(II) hay uric acid (UA) và ascorbic acid (AA)
• 3.3. NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP Zn-MOF-199 VÀ ỨNG DỤNG XÚC TÁC CHO PHẢN ỨNG ACETAL HÓA BENZALDEHYDE BẰNG METHANOL
• 3.3.1. Nghiên cứu tổng hợp Zn-MOF-199
• 3.3.2. Hoạt tính xúc tác của vật liệu Zn-MOF-199 đối với phản ứng acetal hóa benzaldehyde bằng methanol
• 3.4. NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP NANO ZnO/CuO TỪ VẬT LIỆU Zn-MOF-199 VÀ ỨNG DỤNG XÚC TÁC QUANG HÓA
• 3.4.1. Nghiên cứu tổng hợp nano ZnO/CuO từ vật liệu Zn-MOF-199
• 3.4.2. Xác định khả năng xúc tác quang hóa của vật liệu
• 3.4.3. Cơ chế của quá trình xúc tác quang hóa
• 3.4.4. Động học của quá trình quang xúc tác phân hủy MB
• 3.4.5. Khảo sát khả năng tái sử dụng của vật liệu
• 3.4.6. Khả năng xúc tác của vật liệu đối với một số chất màu khác
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về Nghiên cứu vật liệu khung hữu cơ kim loại đồng II carboxylate

Vật liệu khung hữu cơ kim loại đồng II carboxylate, hay còn gọi là MOF-199, đã thu hút sự chú ý của các nhà nghiên cứu trong những năm gần đây. Với cấu trúc xốp và diện tích bề mặt lớn, MOF-199 có khả năng ứng dụng đa dạng trong các lĩnh vực như xúc tác, hấp phụ và lưu trữ khí. Nghiên cứu này sẽ đi sâu vào tổng hợp, biến tính và ứng dụng của vật liệu này.

1.1. Đặc điểm nổi bật của vật liệu khung hữu cơ kim loại

Vật liệu khung hữu cơ kim loại (MOFs) có cấu trúc ba chiều, được hình thành từ các ion kim loại và cầu nối hữu cơ. Đặc điểm nổi bật của MOF-199 là khả năng hấp phụ khí và hoạt tính xúc tác cao, nhờ vào cấu trúc xốp và diện tích bề mặt lớn.

1.2. Lịch sử nghiên cứu vật liệu MOF 199

MOF-199 được phát hiện vào thập niên 90 và đã nhanh chóng trở thành một trong những vật liệu được nghiên cứu nhiều nhất. Nhiều công trình đã chỉ ra khả năng ứng dụng của MOF-199 trong các lĩnh vực như xúc tác và hấp phụ khí.

II. Thách thức trong nghiên cứu và ứng dụng vật liệu khung hữu cơ kim loại

Mặc dù có nhiều tiềm năng, việc nghiên cứu và ứng dụng vật liệu khung hữu cơ kim loại đồng II carboxylate vẫn gặp phải một số thách thức. Các vấn đề như độ ổn định, khả năng tái sử dụng và chi phí sản xuất là những yếu tố cần được xem xét.

2.1. Độ ổn định của vật liệu MOF 199

Độ ổn định của MOF-199 trong môi trường ẩm ướt và nhiệt độ cao là một trong những thách thức lớn. Nghiên cứu cần tìm ra các phương pháp cải thiện độ bền của vật liệu này.

2.2. Chi phí sản xuất và quy trình tổng hợp

Chi phí sản xuất vật liệu MOF-199 vẫn còn cao so với các vật liệu truyền thống. Việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp là cần thiết để giảm thiểu chi phí và tăng khả năng ứng dụng.

III. Phương pháp tổng hợp vật liệu khung hữu cơ kim loại đồng II carboxylate

Có nhiều phương pháp tổng hợp vật liệu MOF-199, bao gồm phương pháp dung nhiệt và vi sóng. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu cuối cùng.

3.1. Phương pháp dung nhiệt trong tổng hợp MOF 199

Phương pháp dung nhiệt là một trong những phương pháp phổ biến nhất để tổng hợp MOF-199. Phương pháp này cho phép kiểm soát tốt các điều kiện phản ứng, nhưng thời gian tổng hợp thường dài.

3.2. Ưu điểm của phương pháp vi sóng trong tổng hợp

Phương pháp vi sóng giúp giảm thời gian tổng hợp và tăng diện tích bề mặt của vật liệu. Nghiên cứu cho thấy rằng vật liệu tổng hợp bằng phương pháp vi sóng có tính chất tốt hơn so với phương pháp dung nhiệt.

IV. Biến tính vật liệu khung hữu cơ kim loại đồng II carboxylate

Biến tính MOF-199 bằng các ion kim loại khác hoặc các hợp chất hữu cơ có thể cải thiện tính chất của vật liệu. Việc này mở ra nhiều cơ hội mới cho ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau.

4.1. Biến tính bằng ion Zn II

Việc biến tính MOF-199 bằng ion Zn(II) đã cho thấy sự cải thiện đáng kể về tính chất xúc tác. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các vật liệu composite.

4.2. Ứng dụng của vật liệu biến tính trong xúc tác

Các vật liệu biến tính từ MOF-199 đã được ứng dụng trong nhiều phản ứng xúc tác khác nhau, như phản ứng acetal hóa và oxy hóa. Điều này chứng tỏ khả năng ứng dụng rộng rãi của vật liệu này.

V. Ứng dụng thực tiễn của vật liệu khung hữu cơ kim loại đồng II carboxylate

MOF-199 và các vật liệu biến tính của nó đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, từ xúc tác đến cảm biến điện hóa. Những ứng dụng này không chỉ mang lại giá trị kinh tế mà còn góp phần vào sự phát triển bền vững.

5.1. Ứng dụng trong xúc tác hóa học

MOF-199 đã được chứng minh là chất xúc tác hiệu quả cho nhiều phản ứng hóa học, bao gồm phản ứng acetal hóa và oxy hóa. Điều này mở ra cơ hội cho việc phát triển các quy trình sản xuất xanh.

5.2. Ứng dụng trong cảm biến điện hóa

Vật liệu MOF-199 đã được sử dụng làm cảm biến điện hóa để phát hiện các hợp chất hữu cơ như paracetamol và caffeine. Điều này cho thấy khả năng ứng dụng của nó trong lĩnh vực y tế và môi trường.

VI. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu vật liệu khung hữu cơ kim loại

Nghiên cứu về vật liệu khung hữu cơ kim loại đồng II carboxylate đang mở ra nhiều hướng đi mới trong khoa học vật liệu. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ứng dụng thực tiễn và giá trị kinh tế cao.

6.1. Triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu về MOF-199 cần tiếp tục được mở rộng để khám phá thêm nhiều ứng dụng mới. Việc cải thiện tính chất và khả năng ứng dụng của vật liệu này sẽ là mục tiêu chính trong tương lai.

6.2. Tầm quan trọng của vật liệu khung hữu cơ kim loại

Vật liệu khung hữu cơ kim loại không chỉ có tiềm năng trong lĩnh vực khoa học mà còn có thể đóng góp vào các giải pháp bền vững cho các vấn đề môi trường hiện nay.